安定性の高いナノチューブ

Scientific Reports volume 11、記事番号: 22915 (2021) この記事を引用

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ガスセンサー市場は、多くの社会経済的および産業的要因によって急速に成長しています。中赤外線 (MIR) ガスセンサーは、ヘルスケア、スマートホーム、自動車分野で増加するセンシングアプリケーションに対して優れた性能を提供します。低コスト、小型、エネルギー効率の高い光源を利用できることは、MIR センサーのモノリシック統合にとって非常に重要です。今回我々は、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）マイクロホットプレートと誘電体でカプセル化されたカーボンナノチューブ（CNT）黒体層を組み合わせて作製したオンチップ広帯域熱MIR源を紹介する。マイクロホットプレートは、CNT 層の高温 (>700 \(^{\circ }\)C) 成長を促進するため、また成長後の熱アニーリングのために、マイクロリアクターとして製造中に使用されました。私たちは、600 \(^{\circ }\)C を超えるヒーター温度で、誘電体でカプセル化された CNT 層を備えたデバイスの空気中での安定した長時間動作を初めて実証しました。実証されたデバイスは、MIR スペクトル全体にわたってほぼ均一な放射率を示し、モノのインターネット向けの低コストで高度に統合された MIR 分光法に理想的なソリューションを提供します。

ガスセンサーは、多くの科学、産業、商業用途によって推進される研究開発努力の中心となっています1。これには、森林伐採2、車両および産業3による環境汚染物質の監視や、建物内の空気の質4も含まれます。大気汚染が人間の健康に及ぼす影響に対する意識が高まっており3、低コストでアクセスしやすく、コンパクトですぐに導入できる大気質モニタリングに対する需要が高まっています5。新たな世界的需要を維持するには、ガスセンサーは性能とコストの間の適切かつ困難なバランスを満たさなければなりません1。経済的に実行可能であることに加えて、モノのインターネット (IoT)6 やモバイルプラットフォーム 7 内に導入されるセンサーなど、電力と容量に厳しい制約があるセンサーが増えています。これらの要件により、研究者は、小型化、コンポーネントのモノリシック統合、低コスト、消費電力の削減、製造容易性を達成するための新しい材料、設計、技術を探求するようになります1。

さまざまなセンシング技術の中でも、光学式ガスセンサーには、選択性と長期的な動作安定性の点でいくつかの利点があります1。特に、非分散型赤外線 (NDIR) センサーは現在、二酸化炭素 (CO\(_2\)) ガスセンサー市場を独占しており、他の多くの用途にも使用されています8。しかし、NDIR ガスセンサーは、その固有の利点 (分光センシングなど) にも関わらず、現在、主に単一の検体、または同時に数種の検体の検出に使用されています。広範な採用の限界は、低コストで光学効率の高い小型広帯域 MIR 光源 (おそらく光学式ガスセンサーの中核) の入手可能性でした。従来は電球ベースの熱源が使用されてきましたが、壊れやすく、かさばるため、5 \(\upmu\)m を超える波長では光学効率が制限されます。発光ダイオード (LED) は集積度と信頼性が向上しますが、専門的な III ～ V 族半導体技術を使用するため、製造コストが高くなります9。

標準的な相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) プロセスの利用は、低コストの統合型熱 MIR 光源と検出器を製造する魅力的な方法であり、多くの革新的な微小電気機械システム (MEMS) ベースのデバイスにつながりました 1,10。 CMOS-MEMS 熱デバイスの放射率/吸収率 1 を高めるために、さまざまな技術が提案されています。これには、単位に近い広帯域放射率 11、12 を提供するカーボンナノチューブ (CNT) 接着層の使用や、特定の MIR バンド用のプラズモニックメタマテリアル 13、14 が含まれます。複数種の分光検出では、MIR 源がターゲット MIR 波長帯のアンサンブルで動作する必要があるため、全体的な CNT 広帯域発光強化 11,12 が分光分析にとって魅力的になります 1。しかし、その黒体のような利点にもかかわらず 15,16、これまでのところほとんどの研究では、そのような CNT および一般にすべての黒鉛ナノカーボン付着層が 400 \(^{\circ }\)C 以上の温度で動作させると空気中で燃え尽きることが観察されています 17,18 。これにより、通常これらの温度で動作する CMOS MEMS マイクロホットプレート MIR 源への統合に限界 (光放射と動作安定性) が生じます 19。不活性ガスの使用は CNT の焼失を防ぐために使用できますが、これには専門の密閉されたセラミックまたは金属パッケージの使用が必要であり、コストに大きな影響を与える可能性があります 20,21。

ここでは、CNT コーティングされたサーマルエミッタの長期的な動作安定性を可能にする誘電体カプセル化法に基づくソリッドステートアプローチを紹介します。 MEMS マイクロホットプレート上で成長させたアルミナ (Al\(_2\)O\(_3\)) でカプセル化された CNT は、空気中で動作させた場合、800 \(^{\circ }\)C を超える温度に耐えることができます。カプセル化された CNT アドレイヤーの放射率は 1 に近く (標準 MEMS デバイスと比較して \(\sim\) 8 倍)、600 \(^{\circ }\)C で 10 日間安定した動作を示します。。この研究により、カプセル化技術が温度や空気に敏感なナノマテリアルにさらに広く適用される道が開かれ、通常の温度閾値をはるかに上回る空気中でナノマテリアルが安定して動作できるようになります。

デバイスの製造。 (a) \(\sim\) 5 \(\upmu\)m 厚さの二酸化ケイ素 (SiO\(_2\)) に埋め込まれたタングステン (W) 発熱体を使用したマイクロホットプレートの断面図 (縮尺通りではありません)深い反応性イオンエッチングによって形成された膜。 (b) マイクロホットプレートの光学画像。膜で囲まれたマルチリング設計の発熱体を示しています。チップサイズ = 1.76 mm \(\times\) 1.76 mm。 (c) 消費電力の関数としてのマイクロヒーター温度。 (d) 能動加熱要素は 3 つの目的に役立ちます。(i) CNT 成長プロセス中の局所的なその場加熱 (マイクロリアクター)。 (ii) 自己アニーリングのためのサーマルプロファイラー (接着層フラッシュ) として使用されます。 (iii) デバイスの動作中 (通常は 300 ～ 600 \(^{\circ }\)C の温度で) IR 放射を生成するために使用されます。 (e) アイロン上でアンモニア (NH\(_3\)) と混合したアセチレン (C\(_2\)H\(_2\)) を使用したその場 CVD プロセスによって成長させたスパゲッティ状 CNT 構造の典型的な SEM 画像(Fe) 触媒、および (f) \(\sim\) 50 nm アルミナ (Al\(_2\)O\(_3\)) カプセル化後の SEM 画像。 (e) C\(_2\)H\(_2\) と水素 (H\(_2\)) を混合することによって合成された、より高密度でより整列した CNT の SEM 画像、および (h) カプセル化後の SEM 画像。

私たちの実験では、商業鋳造工場で製造された社内設計のマイクロホットプレートを使用します。マイクロホットプレートの断面図は図1aに示されており、\(\sim\)5 \( \upmu\)m の厚さの二酸化ケイ素 (SiO\(_2\)) 膜 (直径 1200 \(\upmu\)m) により、直流 (DC) 消費電力が低く抑えられます19。 W は、ドープされたポリシリコンやアルミニウムと比較した場合、エレクトロマイグレーションに対する優れた耐性とより高いガラス転移温度により、発熱体および相互接続金属として選択されました 10,19。マイクロホットプレートは、CMOS-SOI (シリコン・オン・インシュレーター) テクノロジーで構築されており、モノリシックに集積された単結晶シリコン・サーモダイオードを備えており、最大 600 \(^{\circ }\)C22 の記録的な温度で高精度に直線的に動作できます。マイクロホットプレートを IR エミッターとして使用し、校正すると 0.5 \(^{\circ }\)C 未満の分解能が可能になる場合、サーモダイオードは正確な温度センサーとして使用できます。ただし、CNT の成長および 600 \(^{\circ }\)C を超える温度での操作の場合は、W ヒーターを抵抗温度検出器 (RTD) として使用することが好ましい。 W は大きく安定した抵抗温度係数 (TCR) (\(\sim\) 4.5 \(\times\) 10\(^{-3}\) K\(^{-1}\)) を持ち、は、比較的高い精度 \(\sim\) 2 \(^{\circ }\)C で 1000 \(^{\circ }\)C まで機能することが示されています19。マイクロホットプレートは 700 \(^{\circ }\)C を超える温度に達する可能性があり、熱過渡時間は 4 \(\times\) 10\(^4\) \(^{\circ }\) を超える高速になります。 C/s により、非常に低コストで優れた再現性を備えた電圧制御された温度ランプと安定した MIR 放射が可能になります 10,19。膜で囲まれた発熱体を示す、作製したマイクロホットプレートの光学画像を図1bに示します。

当社では、その場化学気相成長 (CVD) プロセスを使用して CNT 接着層を統合しています 11、12。 CVD プロセスでは、通常 400 \(^{\circ }\)C23,24 を超える基板温度が必要ですが、温度の影響で集積回路が損傷する可能性があるため (合金化や原子移動の加速などにより)、これは CMOS と互換性がありません 10。薄い誘電体膜による熱絶縁のおかげで、当社のマイクロホットプレートは、機能を損なうことなく、局所的な「ホットゾーン」で簡単に 750 \(^{\circ }\)C を超える温度に達することができます (図 1c)。ホットゾーンからわずか数マイクロメートル離れたチップ基板上に配置された周辺CMOS回路。したがって、当社のマイクロホットプレートは理想的な CMOS 互換マイクロリアクターとして効果的に使用でき、ウェーハレベルでの実行可能な CNT-CMOS 統合が可能になります12。さらに、私たちの設計では、このような高温を達成するために比較的低い DC 消費電力を実現できます (たとえば、図 1c に示すように、500 \(^{\circ }\)C で \(\sim\) 100 mW)。変調された駆動信号 (たとえば、この場合は 50% のデューティサイクル) を使用することで、さらに最小化できます。カプセル化効率をテストするために、アンモニア (NH\(_3\))12 と水素 (H\(_2\))11 という 2 つの一般的に使用されるプロセスガスを、同じ炭素含有ガス [アセチレン (C\( _2\)H\(_2\))]、鉄 (Fe) 触媒プロセスによる。 CNT 合成の文献の他の場所で報告されているように、NH\(_3\) を使用すると、よりスパゲッティ状のナノチューブの束が得られる傾向にあり 12、一方、H\(_2\) を使用すると、より空間的に高密度で垂直に整列したナノチューブが得られます 11。私たちの実験のための包括的なテストベッド (CNT の結晶学と形態の影響)。 NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\) 合成 CNT サンプルの光学画像を図 1d に示します。走査型電子顕微鏡（SEM）検査により、スパゲッティ状（図1e）および垂直に整列した（図1g）ナノチューブフォレストの両方の成長が成功していることが確認されます。

空気中での特性評価と安定性テスト。 (a) ほとんどすべての光を吸収する CNT コーティングされたプレート (赤線) と比較した、コーティングされていないマイクロホットプレート (黒線) の赤外線吸収スペクトル。 (b) コーティングなし (黒線)、CNT コーティング (青線)、およびカプセル化 (赤線) のマイクロホットプレートについて、それぞれ 600 \(^{\circ }\)C で測定した発光スペクトル。 CNT でコーティングされたデバイスは、同等の温度でコーティングされていないデバイスと比較した場合、\(\sim\) 8 倍の発光増加を示しますが、カプセル化されていない CNT は数分以内に燃え尽き、その結果、発光スペクトル (青線) が初期値から低下します。カプセル化されたデバイスの値 (赤線) からコーティングされていないデバイスの値 (黒線) に近くなります。光学検査 (挿入図) は、CNT がほぼ完全に燃え落ちていることを示しています。 (c) NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\)- がカプセル化されたデバイスについて、600 \(^{\circ }\)C で 10 日間測定した発光スペクトル合成されたCNT（図1fに示す）。それぞれの時間に記録された光学画像は、カプセル化された CNT が高温動作の影響を受けないことを示しています。 850 \(^{\circ }\)C というかなり高い温度で 4 時間動作させた後のテストサンプルの光学画像が右下隅に表示されており、CNT が無傷であることが示されています。 (d) (下の 2 行) (c) に示した動作安定性テストの前後で 532 nm で測定したラマンスペクトル。比較として、上の 2 行は、H\(_2\):C\(_2\)H\(_2\) 合成 CNT (図に示す) を使用して行われた同じテスト (図示せず) で測定されたラマンスペクトルを示しています。 1h) 代わりに、両方のサンプルが安定したままであることを示しています。

CNT は、その直径、壁の数、または欠陥の量に応じて、400 \(^{\circ }\)C を超える温度で空気中で (通常は数分以内に) 燃焼することが知られています 17,18。そのため、熱エミッタとしての応用が妨げられます。。空気にさらされた CNT を酸化から隔離し 17,18、熱的に安定したエミッター界面を作成するために、成長したままの CNT を \(\sim\) 厚さ 50 nm の原子層堆積 (ALD) Al\(_2\) にカプセル化します。 O\(_3\) コーティング。 Al\(_2\)O\(_3\) ベースのカプセル化は高い熱機械的安定性を保証し、500 \(^{\circ }\)C を超える温度でも動作できることが示されています。酸素 (O\(_2\)) と水 (H\(_2\)O) に対するバリア25,26。図1f、hは、図1e（スパゲッティ状NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\)合成）およびg（整列したもの）に示すCNTのカプセル化後のSEM画像を示しています。それぞれ H\(_2\):C\(_2\)H\(_2\)-合成)。カプセル化後の熱安定性を向上させるために、デバイスの自己アニーリング 26,27 プロセスを使用しました。このプロセスは、マイクロヒーター自体によって可能になりました。熱プロファイルは、\(\sim\) 100 \(^{\circ }\)C ステップで最大 \(\sim\) 800 \(^{\circ }\)C の温度で電気熱変調を適用して適用されました。 ; これにより、メンブレンに誘発される熱機械応力が動作周波数と一致し、メンブレンの破損が回避されました。

2〜14 \(\upmu\)m 波長帯における当社のマイクロホットプレートの典型的な光吸収スペクトル (「方法」を参照) を図 2a (黒線) に示します。吸収ピークは \(\ sim\) 8.5 \(\upmu\)m で 85%; SiO\(_2\) 膜内の Si-O 伸縮振動の兆候 28,29。同じ図 (赤線) では、その場成長した NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\) 合成 CNT 層 (図 1f) を備えたマイクロホットプレートは、ほぼ 100 % 吸収、CNT 層の黒体のような性質に起因する挙動 15、16。コーティングされていないデバイス、CNT コーティングされたデバイス、およびカプセル化されたデバイスの発光特性を研究するために、自己発熱するマイクロホットプレートの温度を \(\sim\) 0.5 \ 以内に制御できる比例積分微分 (PID) ベースの温度コントローラーを実装しました。 (^{\circ }\)C 解像度。次に、自己発熱デバイスの発光スペクトルを MIR 分光計 (Bentham) で測定しました (図 2b)。 600 \(^{\circ }\)Cで記録された、カプセル化された(NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\))サンプルの代表的なスペクトルを図2bに示します。 (赤線)、同じ温度で動作させたコーティングされていないデバイス (黒線) と比較した場合、 \(\sim\) 8 倍の発光増強を示しています。また、カプセル化されていない CNT でコーティングされたデバイスの発光スペクトルも測定しました。これは、予想どおり、高温で発光が急速 (\(\sim\) 分) 減少することを示し、これは空気にさらされると CNT が燃え尽きることと一致しています 17。スペクトルの例を図 2b (青線) に示します。これは、600 \(^{\circ }\)C で \(\sim\) 10 分間動作させた後に記録されました。黒線と青線を視覚的に比較すると、ほとんどの CNT が燃え落ちたことが示唆され、その後の顕微鏡による目視検査によって確認されました (図 2b、挿入図)。

当社のカプセル化デバイスの長期動作安定性を調査するために、通常の室内条件 [標準圧力 (1010 ～ 1020 mbar)、温度 (18 ～ 21 \(^{\circ }\)C)、および相対湿度 (30 ～ 50%)]、最大 900 \(^{\circ }\)C の温度で、実際のデバイスの動作温度 (\(\sim\) 500 ～ 600 \(^{\円 }\)C)。 600 \(^{\circ }\)C で 10 日間連続して動作させたデバイスの典型的な発光スペクトル (24 時間ごとに定期的に記録) を図 2c に示します。 (\times\) 10\(^{-5}\) 標準偏差の変動は、優れた安定性を示します。テスト中の代表的な時間に記録された光学画像も示されており、カプセル化された CNT が高い動作温度によって物理的に影響を受けないことが示されています。カプセル化されたその場成長 CNT (H\(_2\) または NH\(_3\) の両方で合成) を備えたデバイスは、最大 900 \(^{\円 }\)C。サンプルの光学画像は図2cの右下隅に示されており、850 \(^{\circ }\)Cの空気中で4時間動作させた後に記録されており、高温でのCNTの物理的安定性をさらに示しています。温度。このような高温では、熱によって引き起こされる極度の機械的ストレスにより、一部の膜 (CNT ではない) が破損したことは注目に値します。故障したデバイスは光学および SEM イメージングによって分析され、特定された故障は、極端な温度でも無傷のままであったカプセル化された CNT 層の焼失ではなく、膜の破損によるものでした。極端な温度における同様の膜の破損は、コーティングされていない (CNT 層のない) デバイスでも観察されています。 10 日間の動作テストの前後でカプセル化された CNT の品質を確認するために、ラマン分光法を使用して CNT の特性評価を行いました。図 2d (下の 2 行) は、上に示したデバイスのラマンスペクトルをプロットしています。 D ピークの位置、幅、強度に変化は観察されません。これは、長期間の高温操作によって出発材料に関して追加の欠陥が誘発されないことを示しています 30。比較として (上の 2 行を参照)、代わりに H\(_2\):C\(_2\)H\(_2\) カプセル化 CNT を使用して実行した同じテストのラマンスペクトルも示します。両方のサンプルは、カプセル化技術のより幅広い応用可能性を強調しています。

非分散赤外線 (NDIR) 実験。 (a) NDIR ガスセンサーのセットアップの概略図。（ b ）コーティングなし（黒線）、CNTコーティング（青い点線）、およびカプセル化（赤線）のマイクロホットプレートについて、4.26 \(\upmu\)mでサーモパイルによって記録された相対光学応答。カプセル化されていないデバイス（青い点線）から検出されたIR放射は、600 \(^{\circ }\)Cを超える温度で急速に（数分間）低下し、図2bに示されたデータと一致します。 (c) それぞれコーティングされていないマイクロホットプレート (黒線) とカプセル化されたマイクロホットプレート (赤線) での CO\(_2\) センサーの応答電圧。カプセル化された CNT デバイスでは、相対電圧 \(\Delta V=V_{0 ppm}-V_{lock-in}\) の \(\sim\) 8 倍の増加が観察されます。

アプリケーションタイプの設定で当社の MIR エミッターの性能をテストするために、CO\(_2\) 検出用に設計されたカスタムメイドの NDIR ガスセンサーを使用して、コーティングされていないデバイスに対してサンプルのベンチマークが行われました。実験装置の概略図を図 3a に示します。当社では、CO\(_2\) 吸収波長帯に調整された統合 4.26 \(\upmu\)m フィルターを備えたシングルチャンネルサーモパイル検出器 (Heimann HMS-J21) に接続された、MIR 光源としてサーマルエミッターを使用しています。エミッタとディテクタは両方とも、エミッタとディテクタ間の光路長が 4 cm のカスタムガスセルに取り付けられています。ガスセルはガス混合システムに接続されており、\(c_{CO_2}\) を 5\(\%\ で混合することで CO\(_2\) 濃度 (\(c_{CO_2}\)) を制御できます。 ) 乾燥空気を備えたシリンダーから。当社のカスタム構築された実験セットアップにより、CO\(_2\) 濃度を 100 ppm 以下に制御することができ、濃度変化は数 ppm に抑えることができます。室温条件でサーモパイルによって記録された相対光信号 (「方法」を参照) を図 3b に示します。 CNT (NH\(_3\):C\(_2\)H\(_2\)-合成) でコーティングされたデバイス (青い点線) は、温度上昇に対してカプセル化されたデバイス (赤い線) と同様の応答を示します。 \(\sim\) 600 \(^{\circ }\)C まで上昇しますが、放出レベルは典型的なコーティングされていないデバイスのレベルに向かって急速に (数分以内に) 減少し始め、図 2b に示した結果が確認されています。数週間の動作後、CNT をカプセル化したデバイス (図 3b、赤線) の応答に目立った変化は見つかりませんでした。図 3c は、\(c_{CO_2}\) の範囲が 0 ～ \(\sim\) 21,500 ppm の場合の、カプセル化された CNT デバイス (赤線) とコーティングされていないデバイス (黒線) のセンサーの電圧応答を示しています。カプセル化された CNT デバイスは、最大 CO\(_2\) 濃度で \(\Delta V=V_{0 ppm}-V_{lock-in}\) = 111 mV の応答を示しますが、コーティングされていないデバイスではわずか 22 mV でした。 CO\(_2\) 測定の標準偏差は \(\sim\)0.6 mV で、これは主に信号対雑音比 (SNR) で、増幅後の回復信号の振幅 200 ～ 300 mV よりもはるかに小さくなります。熱雑音によって制限されます。 \(S=\frac{d\Delta V}{dc_{CO_2}}|_{c_{CO_2}=0}\) として定義される相対感度と、\(\sim\) 3 dB の測定された SNR を考慮すると、図 2b の結果と一致して、コーティングされていないデバイスの検出限界は \(\sim\) 1 ppm と比較して、カプセル化されたデバイスの検出限界は \(\sim\) 0.12 ppm と推定されます。

結論として、単一の SiO\(_2\) 誘電体膜上に作製された効率的な CMOS 互換の CNT カプセル化マイクロホットプレートベースの MIR エミッタが、ほぼ 1 の放射率と長期動作安定性を示すことを実証しました。チップの処理は、正確なその場での CNT 成長のためのマイクロリアクターとして標準 CMOS タングステンヒーターを採用することで簡素化され、ウェーバーレベルでのスケーラブルな統合が可能になります。同じ加熱要素は、さまざまなプロセスを簡単に最適化できるように適応できる多用途の自己アニーリング熱プロファイルのイネーブラーとしても機能します。私たちは、アルミナでカプセル化された CNT が 900 \(^{\circ }\)C という記録温度まで安定して動作することを示しました。このエミッタを概念実証の光センシングデモンストレーションに使用したところ、従来の MEMS エミッタを使用した場合と比較して、CO\(_2\) に対する相対感度が 8 倍増加することが測定されました。当社のエミッタは、MIR 帯域全体にわたってほぼ均一な放射率を示すため、MIR スペクトル領域におけるさまざまな低コスト、低電力、大量の分光アプリケーションにとって特に魅力的です。

マイクロホットプレートは Cadence\(\copyright\) で設計され、市販の 1 \(\upmu\)m SOI-CMOS プロセスを使用して 6 インチのシリコン (Si) ウェーハ上に製造されました。この膜は、厚さ 400 \(\upmu\)m の Si 基板のディープ反応性イオンエッチング (DRIE) によって形成され、埋め込まれた SiO\(_2\) 層がエッチストップとして機能しました。窒化ケイ素 (Si\(_3\)N\(_4\)) パッシベーション層は、湿度などの環境要因から膜を保護します31。

CNTは、Fe触媒プロセスを介したC\(_2\)H\(_2\)のその場熱CVDによって成長させた。マイクロホットプレートは \(\sim\) 10 nm Al\(_2\)O\(_3\) でコーティング (ALD) され、その後 2 ～ 4 nm の Fe 触媒でスパッタリングされました。 [電源 (Keithley 2400) に接続された TO タイプのパッケージに取り付けられた] デバイスは、その後、カスタムビルドの CVD チャンバーに移され、CNT が成長し、ベース圧力 \(\sim\ まで減圧されました) ) 0.5ミリバール。 CNT 成長プロセスは、LabVIEW© ソフトウェアに実装された \(\sim\) 0.5 \(^{\circ }\)C 分解能の PID ベースの温度コントローラによって最適化され、20 \(^{\circ }\) に設定されました。 }\)C/秒の加熱速度。マイクロヒーターが \(\sim\) 500 \(^{\circ }\)C に達したときに、高純度の NH\(_3\) または H\(_2\) がチャンバーに導入され、その後 725 \(^ {\circ }\)Cで60秒間加熱すると、小さな触媒のFe島が形成されます。次に、C\(_2\)H\(_2\) を別のラインを通じて 5% H\(_2\):C\(_2\)H\(_2\) または 25% NH\(_3\) に導入しました。 ):C\(_2\)H\(_2\) 雰囲気はそれぞれ、 \(\sim\) 10 分間の成長プロセス中に \(\sim\) 4 mbar に維持されました。次に、デバイスを ALD リアクター (Cambridge NanoTech) に導入し、\(\sim\) 50 nm Al\(_2\)O\(_3\) を堆積しました [トリメチルアルミニウム (TMA) と水 (H\(_2\)O を使用) ) カプセル化のために 200 \(^{\circ }\)C] で前駆体として使用し、続いて \(\sim\) 400、500、600、および 700 \(^{\circ }\) で自己アニーリングプロセスを実行します。 C、それぞれ30分間。

光吸収 (A) スペクトルプロファイルを取得するには、2 ～ 14 \(\upmu\)m の波長範囲で、透過 (T) と反射 (R) の FTIR 測定 (垂直入射) を組み合わせて、A = 1- RT。マイクロ FTIR システム (Agilent Cary 620 FTIR 顕微鏡) の光学開口は、マイクロホットプレートのヒーター領域のみを画像化するように設定されました。発光スペクトルプロファイルは、極低温冷却水銀カドミウムテルル化物検出器（DH-MTC）に接続されたモノクロメーター（TMc300）で構成される特注のMIR分光計（Bentham）にデバイスを取り付けることによって測定されました。ラマンスペクトルは、Renishaw inVia ラマン顕微鏡により 532 nm 励起で取得されました。

NDIR センサーは National Instruments DAQ カード (NI USB-6353) に接続されており、LabVIEW© ソフトウェアによる自動制御とデータ収集が可能です。マイクロヒーターは、カスタムアンプを使用して 2 Hz の周期的な方形波によって電圧変調されました。カスタムプリアンプ (60 dB 電圧ゲイン) とソフトウェアベースのロックインアンプ (積分時間 1 秒、\(\sim\) 50 dB SNR) を使用して、サーモパイルによって検出された信号をバックグラウンドノイズから復元しました。 A/D 変換の 16 ビット全体が測定に使用されました。 CO\(_2\) センシングに使用された全体の流量は 200 sccm で、コンピューター制御のマスフローコントローラー (MKS) の組み合わせを使用して達成されました。

Popa, D. & Udrea, F. 統合された中赤外線ガスセンサーに向けて。センサー 19、2076。https://doi.org/10.3390/s19092076 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Central Google Scholar

シーモア、F. & ハリス、ニュージャージー州熱帯森林破壊の削減。サイエンス 365、756–757。 https://doi.org/10.1126/science.aax8546 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ランドリガン、PJ 他汚染と健康に関するランセット委員会。ランセット 391、462–512。 https://doi.org/10.1016/S0140-6736(17)32345-0 (2018)。

論文 PubMed Google Scholar

Barnes, JH、Chatterton, TJ & Longhurst, JW 排出量と暴露量: 英国における道路交通関連の大気汚染による不公平の増大。トランスペアレント解像度パート D: トランスポート。環境。 73、56–66。 https://doi.org/10.1016/j.trd.2019.05.012 (2019)。

記事 Google Scholar

モラフスカ、L.ら。大気質の監視と暴露評価のための低コストのセンシング技術の応用: どこまで進んでいますか? 環境。内部。 116、286–299。 https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.04.018 (2018)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cerchecci、M. et al. スマートシティのコンテキスト内での廃棄物管理のための低電力 IoT センサーノードアーキテクチャ。センサー 18、1282。https://doi.org/10.3390/s18041282 (2018)。

論文 ADS PubMed Central Google Scholar

サン、Ｊ．ら。マイクロヒーターと統合された浮遊 AlGaN/GaN HEMT NO\(_2\) ガスセンサー。Ｊ．マイクロエレクトロメック．システム。 28、997–1004。 https://doi.org/10.1109/JMEMS.2019.2943403 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

非分散型赤外線 (NDIR) 市場。技術。 MarketsandMarkets 議員 (2020)。

藤田洋他発光効率の高いガスセンサー用AlInSb中赤外LEDです。物理学。統計 Solidi (A) 215、1700449。https://doi.org/10.1002/pssa.201700449 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Udrea, F. & Luca, AD ユビキタスマイクロセンサー用 CMOS テクノロジープラットフォーム。 2017 年の国際半導体会議 (CAS)、43 ～ 52。 https://doi.org/10.1109/SMICND.2017.8101149 (2017)。

デ・ルーカ、A.ら。その場で成長させたカーボンナノチューブを使用した強化された分光ガスセンサー。応用物理学。レット。 106、194101。https://doi.org/10.1063/1.4921170 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

サントラ、S.ら。低コストのマイクロセンサー向けのカーボンナノチューブのポスト CMOS ウェーハレベルの成長 - 概念実証。ナノテクノロジー 21、485301。https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/48/485301 (2010)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

プッシュ、A. et al. 高効率の CMOS ナノプラズモニック結晶強化された遅波熱エミッターにより、赤外線ガス検知デバイスが改善されます。科学。議員 5、17451。https://doi.org/10.1038/srep17451 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ロッホバウム、A.ら。中赤外光ガスセンシング用のオンチップ狭帯域サーマルエミッタ。 ACSフォトン。 4、1371–1380。 https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b01025 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Kaul, AB、Coles, JB、Eastwood, M.、Green, RO & Bandaru, PR 多層カーボンナノチューブ集合体を使用した、紫外から赤外までの超高光吸収効率。小 9、1058 ～ 1065。 https://doi.org/10.1002/smll.201202232 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

水野和也ほか垂直に整列した単層カーボンナノチューブからなる黒体吸収体。手順国立アカド。科学。 106、6044–6047。 https://doi.org/10.1073/pnas.0900155106 (2009)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

ボム、D.ら。多層カーボンナノチューブの酸化の熱重量分析: カーボンナノチューブの化学における欠陥サイトの役割の証拠。ナノレット。 2、615–619。 https://doi.org/10.1021/nl020297u (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Singh, DK、Iyer, PK & Giri, PK 多層カーボンナノチューブの酸化安定性の直径依存性: 欠陥の役割と真空アニーリングの効果。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 108、084313。https://doi.org/10.1063/1.3491022 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

アリ、SZら。 CMOS テクノロジーによる低電力、低コストの赤外線エミッターです。 IEEE Sens. J. 15、6775–6782。 https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2464693 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Reichl, H. & Grosser, V. MEMS パッケージング分野の概要と開発動向。テクニカルダイジェストにて。 MEMS 2001。第 14 回 IEEE 微小電気機械システム国際会議 (カタログ番号 01CH37090)、1 ～ 5。 https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2001.906464 (2001)。

江刺 M. MEMS のウェーハレベルパッケージング。Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．マイクロエング。 18、073001。https://doi.org/10.1088/0960-1317/18/7/073001 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Santra, S.、Guha, PK、Ali, SZ、Haneef, I.、Udrea, F. シリコン・オン・インシュレーター・ダイオード温度センサー - 超高温動作の詳細な分析。 IEEE Sens. J. 10、997–1003。 https://doi.org/10.1109/JSEN.2009.2037822 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Terranova, M.、Sessa, V. & Rossi, M. カーボンナノチューブの世界: CVD 成長法の概要。化学。バップ。寄託書 12、315 ～ 325。 https://doi.org/10.1002/cvde.200600030 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Wirth, CT、Zhang, C.、Zhong, G.、Hofmann, S. & Robertson, J. カーボンナノチューブフォレストの拡散および反応制限された成長。 ACS ナノ 3、3560 ～ 3566。 https://doi.org/10.1021/nn900613e (2009)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Nasiri, A. & Ang, S. 高温エレクトロニクスパッケージング用のアルミナベースのセラミックペーストの応用。Ｊ．エレクトロン．パッケージ。 143、20902。https://doi.org/10.1115/1.4049292 (2021)。

記事 Google Scholar

ゴリム、ＯＰら。遮熱コーティング上の自己修復材料用のアルミナセラミックカプセル化の合成。 J.物理学：Conf. サー。 985、012036。https://doi.org/10.1088/1742-6596/985/1/012036 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Musil、J. et al. 反応性マグネトロンスパッタリングによって作製された\(\gamma\)-Al\(_2\)O\(_3\)相を含むアルミナ薄膜の熱安定性。応用サーフィン。科学。 257、1058–1062。 https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.07.107 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Arun Kumar, D.、Merline Shyla, J. & Xavier, FP 太陽電池用途向けの TiO\(_2\)/SiO\(_2\) ナノ複合材料の合成と特性評価。応用ナノサイエンス。 2、429–436。 https://doi.org/10.1007/s13204-012-0060-5 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Popa, D.、Ali, SZ、Hopper, R.、Dai, Y.、Udrea, F. スマート CMOS 中赤外線センサーアレイ。オプション。レット。 44、4111。https://doi.org/10.1364/OL.44.004111 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Dresselhaus, M.、Dresselhaus, G.、Saito, R.、Jorio, A. カーボンナノチューブのラマン分光法。物理学。議員409、47–99。 https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.10.006 (2005)。

記事 ADS Google Scholar

Brand, O. & Fedder, GK (編) CMOS-MEMS (aaWILEY-VCH、2005)。

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我々は、EPSRC (EP/S031847/1、EP/S030247/1、EP/P005152/1) からの資金提供を認めます。 V.-PV-R. は EPSRC 博士研修賞 (EP/M508007/1) と NPL からの支援に感謝し、JAW は王立協会ドロシー・ホジキン研究フェローシップの支援に感謝します。

ケンブリッジ大学工学部、ケンブリッジ、CB3 0FA、英国

ダニエル・ポパ、リチャード・ホッパー、イェ・ファン、ヴラド＝ペトル・ヴェイガン＝ラドゥレスク、ジャック・アレクサンダー＝ウェバー、ステファン・ホフマン、フロリン・ウドレア

Flusso Limited、ケンブリッジ、CB4 0DL、英国

サイード・ジーシャン・アリ & アンドレア・デ・ルーカ

バース大学、バース、BA2 7AY、英国電子電気工学科

マシュー・トーマス・コール

ケンブリッジ大学物理学科、ケンブリッジ、CB3 0HE、英国

ロヒット・チカラディ

エクセター大学物理天文学部生物医学物理学、エクセター、EX4 4QL、英国

ジャヤクルパカールナララ

ウォリック大学工学部、コベントリー、CV4 7AL、英国

シン・ユーシン & ジュリアン・ウィリアム・ガードナー

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DP と FU がこのアイデアを考案しました。 DP と RH がプロジェクトを設計しました。 DP、RH、SZA、MTC がデバイスを製造しました。 DP、RH、YF、V.-PV-R.、RC、および JN はデバイスの特性を評価しました。 DP と RH はデバイスをテストしました。 DP、RH、YX、JWG、FU が結果を分析しました。 DPが監修・原稿を執筆しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ダニエル・ポパへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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ポパ、D.、ホッパー、R.、アリ、SZ 他。中赤外ガス検知用の、安定性の高いナノチューブ強化型 CMOS-MEMS サーマルエミッタ。 Sci Rep 11、22915 (2021)。 https://doi.org/10.1038/s41598-021-02121-5

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受信日: 2021 年 8 月 1 日

受理日: 2021 年 11 月 3 日

公開日: 2021 年 11 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-02121-5

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